Усилитель радиосигналов Советский патент 1979 года по МПК H01L27/00 H03F3/04 

Изобретение относится к устройст вам для усиления радиосигналов и может быть использовано в СВЧ-электронике и радиотехнике. Известны твердотельные усилители радиосигналов - транзисторы и электронно-акустические усилители (ЭАУ) В биполярном транзисторе эффект усиления достигается за счет того, что напряжение во входной (эмиттерной) цепи, инжектируя неосновные носители заряда в область коллектора, меняет сопротивление выходной (коллекторной) цепи и тем самым влияет на протекание тока в ней. В униполярном (полевом) транзисторе влияние входного напряжения на выхо ную цепь осуществляется с помощью эффекта поля. Важным достоинством транзистора является низкое напряжение питания и возможность работы в непрерывном режиме. Однако такие транзисторы характе ризуются относительно малым коэффициентом усиления и трудностью продвижения в области высоких частот, т как, например, в биполярном транзис торе инерционность самого эффекта определяется временами жизни неосновных носителей заряда ( 10 В электронно-акустическом усилителе ВХОДНОЙ радиосигнал сначала преобразуется взвук с помощью электромеханического преобразователя (ЭМП), затем усиливается сверхзвуковым дрейфовым потоком электронов обычно в пьезополупроводнике или в слоистой структуре пьезодиэлектрик-полупроводник, а на выходе вновь с помощью ЭМП преобразуется в радиосигнал. Достоинством этого усилителя является большой коэффициент усиления. Однако в усилителе имеются значительные потери на двойное преобразование сигнала в звуке и обратно (в лучшем случае 6-10 дБ), и повышенный уровень шума, связанный с усилением звуковых флуктуации. Кроме того, необходимо использовать высокие напряжения для придания электронам сверхзвуковой скорости на большой длине пути порядка 1 см, с чем связана трудность получения непрерывного режима усиления. Цель изобретения - повышение коэффициента усиления при одновременном уменьшении напряжения питания. Это достигается тем, что усилитель выполняют на основе пьезоэлектрического полупроводника или слоистой структуры пьезодиэлектрик-полупроводник, причем батарею питания и нагрузку присоединяют к пластине с помощью двух неинжектирующих контак тов, например, в виде гребенок, рас положенных на противоположных плоскостях пластины. Входной радиосигнал, как и в ЭАУ преобразуется в звук с помощью ЭПМ и вводитс,я. в пьезополупроводник или в слоистунз структуру пьезоэлектрик полупроводник. Как известно, в проводящей среде звук создает сгустки концентрации электронов (волну объемного заряда) бегущие вместе с ним. Эти сгустки пробегают через цепь коллектора и модулируют сопротивление этой цепи с частотой сигнала, что позволяет получить при соответствующих условиях усилениеСигнала, Таким образом, предлагаемый усилитель соединяет в себе элементы ЭАУ и транзистора: входной радиосигнал, преобразуясь сначала в звук как в ЭАУ, и создавая сгустки объем ного заряда, меняет затем с помощью этих сгустков сопротивление цепи коллектора, как в транзисторе. На фиг. 1 показана принципиальна схема предложенного усилителя; на фиг. 2 - прибор, выполненный на основе пленки; на фиг. 3 - прибор, выполненный на.снове слоистых струк тур. Схема содержит электромеханичес-: кий преобразователь 1, бегущие сгус ки 2 концентрации электронов, неинжектирующие контакты 3 и 4, батарею 5 коллекторной цепи и сопротивл ние б нагрузки цепи коллектора. Звук, в который преобразовался входной радиосигнал, как бы инжекти рует сгустки .концентрации электрон в пространство между контактами 3 и 4 цепи коллектора, меняя тем самым сопротивление этого участка цепи. При наличии батареи это вызывает в сопротивлении нагрузки переменный ток с частотой сигнала. Путем выбор параметров цепей коллектора и эмитт ра получают усиление мощности вход ного радиосигнала. Для уничтожения отраженных звуковых сигналов в режи ме бегущей волны можно использовать заглушку. Однако прибор может работать и с использованием стоячей зву ковой волны. Если на входной электромеханический преобразователь подается переменный электрический сигнал с частотой UJ и мощностью Pjx / а потери на преобразование сигнала в звук в ЭМП составляют дБ, то полная мощность звукового потока на входе рабочего элемента (пьезополупроводнико вого кристалла или слоистой струкуры пьезодиэлектрнк - полупроводик) составляет р7б Р«д: 0 Если поглощение звука на пути от . МП до контактов 3 и 4 составляет СдБ (при наличии усиления звука в раочем элементе о 0) , то мощность вукового потока под контактами 3 и следующая: - (2) Р«.о ощность звукового потока связана амплитудой механического смещения /0 соотношением s-c-vs ,:,2 де S - площадь поперечного сечения звукового потока; С - модуль упругости кристалла; Vjuq,- скорость и волновое число звука ( U} (J, -Vj) , Для простоты считаем задачу одомерной, имея в виду, что для объемых волн выбором ориентации кристала этого обычно можно добиться (в лучае поверхностных звуковых волн место S и С фигурируют некие эфективные величины, определяемые онфигурацией задачи). Амплитуда механического Смещения f, однозначно связана с амплитудой еременной концентрации электронов поле звуковой волны 4 fl Л 0. (4) десь - (эффективный) пьезомодулв кристалла (или слоистой структуры); - заряд электрона; ,JK- - максвелловское «, время релаксации и дебаевский радиус; о о/; о и т электропроводность, диэлектрическая проницаемость и температура .(в энергетических единицах) кристала; подвижность и равJW и с. новесная концентрация электронов (в случае слоистой структуры эти данные относятся к проводящему слою); и;(/-), е VfJ - скбрость дрейфа электронов в направлении распространения звука. Комбинируя формулы (2) и (4), полуем следующую связь ДП и :

Сопротивление рабочего элемента между контактами 3 и 4 составляет

Й Я..+-ДК,(6) где Rp - сопротивление в случае от ствия звука; лЯ - амплитуда переменной доба ки,, вызванной наличием сг ков концентрации электрон Если продольный размер контактов по крайней мере, одного из них) по рядка или меньше половины длины во звука Л , то AR - V ЛП Ё о о где численный множитель X порядка единицы и определяется конкретной геометрией контактов. Кроме того, всегда можно написать где CL - положительный фактор разм ности длины, также опреде ляемый геометрией контакт Если |лК|« RO,TO амплитуды переменной Составляющей тока через нагрузочное сопротивление и переменн го напряжения на нем . -(V .R.R)2 (где ilf к Е - внутреннее сопротивл ние и ЭДС коллекторно батареи. Комбинируя формулы (7) - (9) для выходной мощности;переменного ток выделяющейся на сопротивлении R ц (т. е. для мощности, которая выхо дит в выходной тракт с входным сопротивлением R ) , WX°°fk. i о н Р„.. («е вых - - () Подставляя сюда из формулы (5) л п. ДЛЯ коэффициента усиления по мощн . . W или, вводя константу электромехан ческой связи h,JLl С.С ) () (1

Коэффициент усиления ЗИТ по мощности в децибелах соответственно

lOfcK

(14)

. д Формулы (13) |i(14,) решают поставленную задачу в общем виде. Максимиэи{ уя выражениедля Kfпо отношению параметрам коллекторной цепи,легко увидеть,что последний множитель в Формуле (1-3 достигает максимума при . (15) и равен 27 п 0,10В R- . Под25.6 . ставляя это в формулу (13) и используя выражение (8) и выражение для Ifj , получаем г « Kj.....R o. ( . S Vg Т Считая даЪее дрейфовое усиление звука отсутствующим (oj ю ) , а также расстояние от ЭМП до контактов 3 и 4 достаточно коротким, так что затуханием звука L можно пренебречь по сравнению с потерями на преобразование Y- максимизируем выражение (16) по частоте сигнала. Видно, что предпоследний множитель достигает своего максимума на той же частоте WQfii I что и линейный коэффициент усиления звука 4, .. cf, %: Е г - так называемая диффузионная частота (, D г коэффициент диффузии, электронов). Это соответстByej: волновому числу звука (5) йа этой частоте ijOcgi для К/ь получаем окончательно , - f п L о.И-Х -10 О ujuef ( 1, ,. , Т (20) макс W Если имеет место еще и дрейфовое усиление звука, то так как / достигает максимального значения на той же частоте (Mopt / для максимального коэффициента усиления получаем - Z к D о,21-)(-10 а/мес (2i) }% ;моксН.э1 ( SVsT . . жжс., I где i-(i-)o Из формул (20)- ) видно, что усиление прибора тем больше, чем больше подвижность электронов // , ЭДС батареи : и величина Qi , которая по существу характеризует линейный размер контактов 3 и 4. Усиление растет с увеличением концентрации звуковой энергии (т. е. с уменьшением S ), а также с понижением температуры (до некоторого предела, определяемого проводимостью кристалла, иначе величина Wp ,t в знаменатв-пе формул (20) и (21) начинает возрастать). В качестве материала для прибора следует брать полупроводник с большой подвижностью электронов, а в качестве пьеэоэлектрика - материал с возможно большим пьезомодулем.,,Лучше всего использовать поверхностные звуковые волны, ибо в них звуковая энергия концентрируется сильнее. Кро ме того, так как коэффициент усиления пропорционален размеру контакта а , этот контакт целесообразно выполнять в виде гребенки, вполне идентичной по параметрам и расположенной параллельно, гребенке входног электромеханического преобразовател ЭМП. Наиболее выгодно применять для прибора поверхностные звуковые волны в слоистых структурах пьезодиэле трик - полупроводник, где имеются гораздо большие возможнос и оптимал ного выбора полупроводника с высоко подвижностью .и пьезоэлектрика с бол шйм пьезомолулем. Например, в качае ве полупровсздника можно брать Ое, Si, GaAs, ariSb, CdS, CdSe и т. д,, в качестве пьезодиэлектрика LiNbOg, ,пьезокерамики, кварц, ZnO, CdS, CdSe и др. Так как некоторые полупроводники такие как GaAs, CdS, обладают довольно сильными пьезосвойствами, их можно использовать в приборе и не- посредственно без сочетания с пьезоэлектриком. Например прибор (см.1$1й;.2) , вы-, полненный на основе пленки;7 GaAs, выращенной на сильнолегированной подложке 8 из GaAs, служащей одновр менно контактом, содержит гребенчатый ЭМП 9 с длиной штрихов L, шириной ( и расстоянием между ними Д , коллекторный контакт 10 в виде гребенки, вполне идентичной гребенке входного ЭМП (число штрихов N), коллекторную батарею 11 и нагрузку 12, Типичные параметры материала и ко струкции следующие: Т 77 К, / 10 см2/В-с, По - 2 -10 3,2 См-/см- , fopi 3 ГГц, 1,1 мкм, § - 0,5 мкм, d у 20 мкм, 0,5 см, 100, 0,3 В, RH 1, 23-10Ом, - 10 дБ. Из формулы (20) получаем Кр 1620, Гр 31 дБ. Полный ток в коллекторной цепи раве 61 А, плотность тока вблизц..каждого штриха гребенки составляет 2 10 А/ а выделяемая джоулева мощность равна 15,8 Вт, что также может быть в непрерывном режиме. Прибор (см. фиг. 3), выполненный на основе слоистых структур LiNbOj + Si и LiNbOj+ Ge, имеет брусок пьезоиэлектрика 13, полупроводниковую ленку или тонкую пластинку 14. В случае LiNbqL+ Si при Т « 300 К, Jii S 1200 см2/в.с, Пе 5-10 см-з, 0,37,6 10- , Ы- 60 МГц, Д 6,7 мкм, d 3 мкм, d мкм, /, 0,5 CM,/V 10, г 30 В, RH 100 Ом, i-J. г 5 дБ. Kf) 1680, Гр 32 дБ. олный ток в коллекторной цепи 79 мА, лотность тока под штрихом гребенки 25 А/см , выделяемая джоулева мощость во всем элементе 1,8 Вт, что полне возможно в непрерывном режиме. В случае LiNbO,+Ge при Т 77 К, 5-10 , П 10 смЗ, (Jo- 8-10 См-/см- , / 0,37,fo/)r 72 МГц, Д 25 мкм, сГ 10 мкм, d 5 мкм,Л 0,5 cM,yV 10, Б, г 3 В,Е„ - 0,4 .кОм, v ot 5 дБ оАучаем Кр 364, Гр 25,6дБ. Полный ток в цепи коллектора 18 мА лотность тока под штрихом гребенки 17,2 А/см , выделяемаягджоулева ощность 4 мВт, что возможно в непрерывном режиме. В случае использования CdS при комнатной температуре opt - 24 МГЦ, g 300 В, Kf. 62, Гр: lOl(jKf 18 дБ. Таким образом, предложенный прибор можетбыть использован для эффективного усиления радиосигналов в диапазоне СВЧ. В другом назначении коллекторная часть прибора может быть использована как активный приемник звука, частично или полностью компенсирующий потери линии задержки (которой фактически является входная часть прибора) , Таким образом, прибор по существу представляет собой активную линию задержки, в которой потери не только могут быть уменьшены, но может быть получено и усиление задерживаемого сигнала. Если в активном элементе прибора имеется усиление звука сверхзвуковым дрейфовым потоком электронов, то усиление прибора в децибелах складывается с этим усилением. Возможны и другие выполнения прибора, например, с точечными контактами, с запорным слоем и т. д. Характерной особенностью прибора является то, чтопри его работе звук, в который превратился входной радиосигнал, инжектирует электроны в . коллекторную область, изменяя тем самым сопротивление коллекторной цепи. Формула изобретения Усилитель радиосигналов в диапазоне СВЧ, работа которого основана на промежуточном преобразовании радиосигнала в звук, выполненный.

например, на основе пластины из пьезоэлектрического полупроводника, отличающийс я тем, что, с целью овьлиения коэффициента усиления при одновременном уменьшении

напряжения питания, на противоположных плоскостях пластины расположены два неинжектирующих контакта, например, в виде гребенок,для подсоединения нагрузки и батареи питания.

фг/г. 1